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문제 정의
- 저항 점 용접 공정에서 이종3겹 조합은 각각의 재료들이 서로 다른 비저항을 가지고 있기 때문에 용접성 확보가 매우 어렵다. 따라서, 본 논문에서는 커버 플레이트를 사용하여 이종3겹 저항 점 용접공정의 용접성을 개선하고자 하였다.
제안 방법
- Fronius사[14]에서는 이종 재료 용접시 모재의 저항 차이가 커서 용접하기 어렵기 때문에, 커버시트를 사용하면 각 모재들 간의 저항 차이를 조절할 수 있고 좋은 용접부를 얻을 수 있다고 한다. 따라서, 본 연구에서는 모재와 전극사이에 커버 플레이트를 첨가하여 용접 실험을 진행하였다. 이는 추가적인 발열로 인하여 기존 방법보다 더 많은 열량을 얻을 수 있고, 결과적으로 용접부의 면적을 증가시킬 수 있다.
- 실험 중, 전류, 전압 신호 계측을 통한 동저항 신호를 구하였고 너깃 직경, 전단인장강도 값을 측정하였다. 커버 플레이트 삽입으로 인한 발열 효과를 검토하기 위하여, 온도 분포를 측정하고 SGACEN과 DP980사이의 경도 테스트를 수행하였다. 또한 공정의 효과적인 분석을 위하여, 대표적인 저항용접 시뮬레이션중에 하나인 SORPAS를 사용하여 이종 3겹 저항용접 모델을 개발하고, 이를 실험결과와 비교하였다.
- 이를 위하여, 전극과 연강인 SGACEN 강판 사이에 커버 플레이트를 삽입하였다. 특히 기존 공정과의 비교를 위하여, 커버 플레이트를 삽입한 3겹 용접 및 커버 플레이트가 삽입되지 않은 3겹 용접 실험을 수행하였다. 실험 중, 전류, 전압 신호 계측을 통한 동저항 신호를 구하였고 너깃 직경, 전단인장강도 값을 측정하였다.
대상 데이터
- 용접기는 정치식 DC 스폿 용접기를 사용하였으며, 전극은 Cu-Cr성분으로 이루어진 선단경 6 mm인 RWMA Class II가 사용되었다.
- SGACEN과 DP980 강은 도금량은 60 g/m2이며 화학적 조성과 기계적 특성은 Table 1과 같다. 커버 플레이트는 Fronius사의 PT3000을 사용하였고, Cr-Ni의 재료로 이루어져 있으며, 두께와 너비는 0.22 mm, 0.12 mm이다[14].
데이터처리
- 계측된 전압과 전류를 이용하여 RMS (root mean square)값을 구하였고, 각각의 RMS 값을 이용하여 동저항과 전력을 계산하였다. 식 (1)과 (2)를 사용하여 동저항과 전력값을 계산하였다.
- 커버 플레이트 삽입으로 인한 발열 효과를 검토하기 위하여, 온도 분포를 측정하고 SGACEN과 DP980사이의 경도 테스트를 수행하였다. 또한 공정의 효과적인 분석을 위하여, 대표적인 저항용접 시뮬레이션중에 하나인 SORPAS를 사용하여 이종 3겹 저항용접 모델을 개발하고, 이를 실험결과와 비교하였다.
- 용접부의 기계적, 재료적 특성 분석을 위하여 경도를 측정하였으며, 미세조직을 분석하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 생성된 저항열을 알기 위하여 동저항 신호를 구하였고, 커버 플레이트를 사용한 경우 추가적인 저항이 발생하여 평균 7.24% 증가된 값을 얻을 수 있었다.
- (2) 가압력 3.0 kN, 용접 시간 300 ms일 경우에 커버 플레이트를 사용하지 않은 경우 SGACEN과 DP980 사이에서는 너깃이 생성되지 않은 반면, 커버 플레이트를 사용하였을 때 SGACEN와 DP980 사이의 너깃 사이즈는 4.619 mm로 관찰되었고, 이때 커버 플레이트가 너깃 형성에 큰 역할을 하였다.
- (3) 시뮬레이션을 통하여, 각 시험편의 온도 분포를 계산하였고, 특히 SGACEN 부분에서 커버 플레이트를 사용한 경우 약 300℃ 차이를 보였다. 이는 커버 플레이트 때문에 추가적인 발열이 생성되어 기존의 방법보다 SGACEN 에서 더 높은 온도 분포를 보였고, 이는 너깃이 생성되는데 큰 역할을 하는 것으로 생각된다.
- (4) 커버 플레이트를 사용하지 않은 경우, 0.5 mm 부근에서 176 Hv, 0.8 mm 부분에서 438 Hv가 측정된 반면, 커버 플레이트를 삽입한 경우 0.3 mm부터 391 Hv의 높은 경도값이 측정되었다. 이는, 너깃에서 빠른 냉각속도로 인하여 경도가 증가하였으며, 마르텐사이트 성분이 존재함을 추측할 수 있다.
- 통전 시작 후 약 200 ms 경과 후에 시뮬레이션을 통해 너깃을 형성하여 보면 커버 플레이트를 삽입하였을 경우, 상부 전극과 SGACEN 시편 사이의 커버 플레이트로 인하여 저항열이 증가하여 너깃이 상부에도 생성되는 반면에 커버 플레이트를 삽입하지 않은 경우는 너깃이 형성되기 않았다. 350 ms에 커버 플레이트를 삽입하였을 때, 양호한 너깃을 생성하였고, 반면에 삽입하지 않은 경우 너깃이 위 SGACEN과 DP980 사이에 충분히 생성되지 않음을 확인할 수 있다.
- 이는 커버 플레이트가 전극과 연강사이에 위치하여 추가적인 저항 열을 생산하여 하한선을 왼쪽으로 이동시켜 결과적으로 보다 넓은 용접 영역을 만든 것으로 판단된다. 따라서, 커버 플레이트를 사용한 경우 추가적인 발열에 의해 용접성이 향상되고 용접 영역이 증가함을 확인하였다.
- 0 kA이다. 실험 결과, 커버 플레이트를 사용하였을 때, 동저항 그래프를 0.5 ms마다 나누어 값을 비교한 결과 7.24% 증가하였다. 이는 전극과 SGACEN 사이에 커버 플레이트를 삽입하여 추가적인 발열을 발생시키고, 이에 따라 저항 값이 증가하기 때문이다.
- 따라서, 본 연구에서는 모재와 전극사이에 커버 플레이트를 첨가하여 용접 실험을 진행하였다. 이는 추가적인 발열로 인하여 기존 방법보다 더 많은 열량을 얻을 수 있고, 결과적으로 용접부의 면적을 증가시킬 수 있다. 이를 위하여, 전극과 연강인 SGACEN 강판 사이에 커버 플레이트를 삽입하였다.
- 429 mm 너깃이 생성되었다. 이와 같이 커버 플레이트를 삽입한 경우, 너깃의 사이즈가 증가함을 확인하였고 3겹 용접부 중 연강-고강도강이 접합영역이 용접성에 영향을 미치는 영역이므로, 커버 플레이트 삽입이 연강 부분의 너깃을 생성을 개선시켜 용접성을 향상시킨 것으로 판단된다.
- 커버 플레이트가 사용되지 않았을 때, SGACEN의 용접부가 거의 생성되지 않아 상부 0.5 mm에서 176 Hv의 경도가 측정되었으나, 0.8 mm에서는 약 438 Hv가 측정되었다. 이는 0.
후속연구
- 이종 3겹 용접시, 외판재로 사용되는 저탄소강은 상대적으로 모재 저항이 낮아 강건한 너깃을 형성하기 어렵다. 따라서, 저탄소강과 고강도강을 이용한 이종 3겹 조합에 대한 용접성을 분석 및 개선을 위한 연구가 필요하다.
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